Vous avez sans doute entendu le mot "force" utilisé de toutes sortes de manières, la plupart mal définies (« champ de force », « force d'un champ magnétique ») ou sans rapport avec la science physique (« jeu de force », « combat Obliger.")
Une force en physique est tout ce qui agit pour accélérer quelque chose avec une masse. Il existe un certain nombre d'équations reliant la force à d'autres quantités, telles que le travail, la pression et l'énergie, mais la plus fondamentale estF = ma, qui dit qu'une massemconnaît une accélérationunelorsqu'il est soumis à une force netteF, agissant dans une direction spécifiée avec une magnitude spécifiée.
Étant donné que la connaissance des valeurs spécifiques des forces est essentielle dans l'ingénierie et d'autres industries du monde entier, les instruments permettant de déterminer avec précision la force sont faciles à obtenir.
Unités de force
L'unité de force SI (métrique) est le newton (N), tandis que les unités SI de masse et d'accélération sont les kilogrammes (kg) et les mètres par seconde au carré (m/s
2). Ainsi, le N est une unité dérivée, et il se traduit en kg m/s2.Étant donné que tout champ gravitationnel a tendance à accélérer toutes les masses à sa portée, le résultat est ce que les humains appellent le poids au quotidien. Ainsi, une balance domestique ou de centre de remise en forme est en quelque sorte un dynamomètre, car bien qu'elleaffichevotre masse en kilogrammes (ou votre poids équivalent en livres) illes mesuresvotre poids en raison de la gravité, sur Terre égal à 9,81 m/s2.
La loi de Hooke
La plupart des dynamomètres que vous êtes susceptible de rencontrer tirent parti d'un principe appelé loi de Hooke, du nom de Robert Hooke, dont le travail dans les années 1600 s'étendaient sur la physique, la chimie, la biologie et pratiquement tous les autres domaines de recherche pendant cette période de rapide le progrès.
La loi stipule que la force requise pour étirer un matériau élastique (comme un ressort) sur une distance donnée est proportionnelle à la distance à laquelle le ressort est étiré à partir de son point d'équilibre :
Le signe négatif implique que la forces'opposele tronçon, étant égal en amplitude mais précisément opposé en distance.
Applications de la loi de Hooke en dehors du dynamomètre
La loi de Hooke a été appliquée dans tous les domaines de l'ingénierie et de la construction que vous pouvez nommer ou même imaginer. Aux débuts de l'horlogerie, les ressorts étaient essentiels pour assurer un fonctionnement précis, car le chronométrage aux XVIIe et XVIIIe siècles n'était pas encore tout à fait une question de synchronisation GPS.
La loi de Hooke a été invoquée dans la fabrication de manomètres (manomètres), équipement dans le monde de l'acoustique et la sismicité et, à mesure que le 21e siècle avance, dans les applications des nanotechnologies. Mais son utilité dans un simple dynamomètre est peut-être le moyen le plus simple de l'expliquer encore aujourd'hui.
Compteur de force: le compteur de ressort
La loi de Hooke peut être appliquée à un ressort sur une surface horizontale, de sorte que la force exercée sur l'objet par gravité est équilibrée par la force ascendante de la surface (la force normale). Si la force nécessaire pour étirer le ressort de 1,5 m est de 300 N, vous pouvez calculerkdans la loi de Hooke, leconstante de ressort:
F=-kx\implique 300\text{ N}=k (1.5\text{ m})\implique k = 200\text{N/m}
UNEcompteur de forceest plutôt une construction verticale, et il a un ressort qui est calibré de telle sorte qu'une masse soumise à La gravité de la Terre déplacera le ressort vers le bas depuis sa position de repos (d'équilibre) par un mouvement connu et fixe. montant. Ainsi, une masse de 10 kg est connue pour avoir un poids de (1 kg) (9,81 m/s2) = 98,1 N, et le dynamomètre peut être étiqueté conformément à ce principe.
Notez que pour étirer un ressort ou tout objet élastique deux fois la distance sur laquelle il a déjà été étiré, deux fois la force doit être appliquée et ainsi de suite, comme dicté par la loi de Hooke. En réalité, aucun matériau n'est parfaitement élastique, et tous les ressorts se brisent, soit par « usure » soit par rupture traumatique sous une contrainte ou une contrainte suffisante.